¿El origen de la materia oscura está en el Big Bang?

La materia oscura es el mayor fantasma del cosmos. Sabemos que está ahí porque su gravedad mantiene unidas a las galaxias, evitando que salgan despedidas como un tiovivo desbocado, pero es invisible. No emite, no absorbe y no refleja la luz. Durante décadas, la física de partículas ha liderado la búsqueda de este misterio, teorizando sobre partículas exóticas que jamás hemos logrado detectar en los aceleradores.

Sin embargo, una hipótesis surgida en los años 70 está ganando una fuerza asombrosa: ¿Y si la materia oscura no es una partícula nueva? ¿Y si son, en realidad, agujeros negros primordiales formados en el mismísimo inicio del universo?

¿Qué son los agujeros negros primordiales?

A diferencia de los agujeros negros astrofísicos —aquellos que nacen del colapso de una estrella gigante al morir—, los agujeros negros primordiales (PBH, por sus siglas en inglés) se habrían formado durante la infancia del universo, apenas una fracción de segundo después del Big Bang.

En ese cosmos primitivo, el espacio no era uniforme; era una sopa densa y caótica de radiación y energía. Si en algunas regiones la densidad de la materia era lo suficientemente alta debido a fluctuaciones cuánticas, la propia gravedad de esa zona pudo haber colapsado el espacio-tiempo sobre sí mismo, dando origen a un agujero negro de forma instantánea.

Lo fascinante de los PBH es su versatilidad. Al no depender de la muerte de una estrella, sus masas no están limitadas. Podrían tener el tamaño de un grano de arena y pesar miles de millones de toneladas, o tener la masa de un asteroide condensada en el volumen de un átomo.

El match perfecto: ¿Por qué encajan como materia oscura?

La idea de que estos objetos constituyan la materia oscura es increíblemente elegante por una razón principal: no requiere inventar nueva física. No necesitamos modificar el Modelo Estándar de partículas ni esperar a que un detector subterráneo capte una partícula hipotética como los WIMPs (partículas masivas que interactúan débilmente) o los axiones.

Además, cumplen con todos los requisitos de la materia oscura:

Son oscuros: No interactúan con la luz electromagnética.

Tienen masa: Ejercen la atracción gravitatoria necesaria para explicar la rotación de las galaxias.

Son estables: Si tienen la masa adecuada, pueden sobrevivir desde el Big Bang hasta nuestros días sin evaporarse.

La radiación de Hawking: El límite de la supervivencia

Aquí entra en juego uno de los legados más importantes de Stephen Hawking. El célebre físico demostró que los agujeros negros no son totalmente negros; emiten una sutil radiación térmica debido a efectos cuánticos en su horizonte de sucesos. Este fenómeno, la radiación de Hawking, hace que pierdan masa con el tiempo.

Cuanto más pequeño es un agujero negro, más rápido se evapora. Los agujeros negros primordiales con una masa inferior a 10¹⁵ gramos (aproximadamente la masa de una montaña pequeña) ya se habrían evaporado por completo a lo largo de los 13.800 millones de años de historia del universo. Por lo tanto, si los PBH son la materia oscura, deben ser más masivos que ese límite para seguir poblando el cosmos hoy en día.

¿Qué dice la ciencia hoy? Ventanas y restricciones

Los astrofísicos han pasado años acotando el terreno a través de observaciones astronómicas. Para detectar objetos invisibles, recurren a las microlentes gravitacionales: cuando un agujero negro pasa por delante de una estrella lejana, su gravedad curva la luz de esa estrella y actúa como una lupa temporal.

Gracias a cartografiados masivos del cielo, se han descartado varios rangos de masa. Sabemos que la materia oscura no puede estar compuesta en su totalidad por agujeros negros primordiales del tamaño de la Tierra o de masas solares típicas, porque habríamos visto miles de estos eventos de lente gravitacional.

Sin embargo, queda una «ventana abierta» muy codiciada por los investigadores: la ventana de masa de asteroides (entre 10¹⁷ y 10²² gramos). Los agujeros negros en este rango tendrían tamaños microscópicos pero el peso de un gran asteroide, y son extremadamente difíciles de detectar con la tecnología actual. En esa ventana oculta, los PBH podrían albergar el 100% de la materia oscura sin contradecir ninguna observación actual.

Las ondas gravitacionales reabren el debate

El interés por los agujeros negros primordiales resucitó de forma espectacular gracias a los detectores de ondas gravitacionales como LIGO y Virgo. Al captar las colisiones de agujeros negros en el universo distante, los científicos descubrieron algo inesperado: muchos de estos objetos tenían masas de entre 20 y 50 veces la de nuestro Sol.

Para muchos teóricos, estas masas resultan inusuales para el colapso estelar convencional, lo que ha llevado a plantear que LIGO podría estar detectando, en realidad, la fusión de agujeros negros nacidos en el Big Bang. Si una fracción de ellos tiene estas masas colosales, el resto bien podría rellenar los huecos de la materia oscura en escalas microscópicas.

El misterio sigue abierto, pero la cosmología moderna está rodeando al sospechoso. Ya sea mediante telescopios espaciales de última generación o buscando sutiles distorsiones en el fondo cósmico de microondas, la próxima década podría confirmar si la respuesta a la mayor incógnita del universo actual estuvo siempre oculta en su primer segundo de existencia.